03氣候與環(huán)境講稿

1、第三章氣候候與環(huán)境境一概念念1道路路與其它它土木建建筑在考考慮氣候候與環(huán)境境時(shí)的區(qū)區(qū)別道路是是露天建建筑物道路是是線型建建筑，涉涉及的范范圍較大大2氣候候的影響響冰凍作作用降雨3考慮慮方法材料結(jié)構(gòu)二凍脹脹1影響響因素對(duì)冰凍凍敏感的的土氣溫下下降的快快慢水源2水的的種類自由水水吸附水水強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合水水，弱結(jié)結(jié)合水3凍敏敏土的種種類（工工程師兵兵團(tuán)法）礫石土土占砂土土占礫石土土占砂土土占粉土土占公路路土的分分類土：巨巨粒土，粗粗粒土，細(xì)細(xì)粒土，特特殊土巨粒土土600占占：漂石石土，卵卵石土粗粒土土占：礫礫類土，砂砂類土細(xì)粒土土0.0744mm占占50%:粉質(zhì)質(zhì)土，粘粘質(zhì)土，有有機(jī)質(zhì)土土特殊土土：黃土土

2、，膨脹脹土，紅紅粘土，鹽鹽漬土路基基水穩(wěn)定定處理辦辦法換土、路面具有有防凍總總厚度、設(shè)置隔隔層、設(shè)置隔溫溫層路基排排水冰凍凍指數(shù)度日：表示一一日的平平均氣溫溫低于凍凍結(jié)溫度度一度冰凍指指數(shù)累計(jì)度度日?qǐng)D中中最大和和最小點(diǎn)點(diǎn)之差冰冰凍指數(shù)數(shù)與冰凍凍深度有有關(guān)四、溫度度變化規(guī)規(guī)律圖3-11夏季晴晴天的情情況下水水泥混凝凝土層溫溫度的日變化化觀測(cè)結(jié)結(jié)果大氣的溫溫度在一一年和一一日內(nèi)發(fā)發(fā)生著周周期性的的變化，與與大氣直直接接觸觸的路面面溫度也也相應(yīng)地地在一年年和一日日內(nèi)發(fā)生生著周期期性變化化。圖33-1和和圖3-2分別別顯示了了夏季晴晴天的情情況下水水泥混凝凝土層和和瀝青混混凝土面面層溫度度的日變變化觀

3、測(cè)測(cè)結(jié)果。圖中顯顯示的規(guī)規(guī)律表明明，路面面溫度的的周期性性起伏，同同大氣溫溫度的變變化幾乎乎同步。由于部部分太陽(yáng)陽(yáng)輻射熱熱被路面面所吸收收，因此路路面的溫溫度較氣氣溫高。圖3-22夏季晴晴天的情情況下瀝瀝青混凝凝土面層層溫度的的日變化化觀測(cè)結(jié)果果路面結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)溫度度狀況隨隨深度變變化的情情況，可可以更明明顯地從從一晝夜夜內(nèi)不同同時(shí)刻和和路面溫溫度沿深深度分布布的曲線線圖中看看出。溫溫度梯度度通常在在早晨的的某一時(shí)時(shí)刻(圖3-66中為8：00)接近于于零，午午后某一一時(shí)刻(圖3-66中為144：00)正溫差差達(dá)到最最大值，而而在凌晨晨某一時(shí)時(shí)刻(大約在在3：005：00)負(fù)溫差差達(dá)到最最大值。圖3

4、-33水泥混混凝土面面層一晝晝夜內(nèi)不不同時(shí)刻刻溫度沿沿深度分分布的曲曲線五、溫度度狀況的的預(yù)測(cè)決定路面面結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)溫度狀狀況的因因素，有有外部和和內(nèi)部?jī)蓛深?。外外部因素素主要是是氣候條條件，諸諸如太陽(yáng)陽(yáng)輻射(日照和和云量)、氣溫溫、風(fēng)速速、降水水量和蒸蒸發(fā)量等等。其中中，太陽(yáng)陽(yáng)輻射和和氣溫是是決定路路面溫度度狀況的的兩項(xiàng)最最重要的的因素。射到路路面的短短波輻射射熱(太陽(yáng)直直接輻射射和大氣氣散射輻輻射)，一部部分被路路面反射射掉，余余下部分分則被路路面所吸吸收而增增高其溫溫度。大大氣和路路面發(fā)出出的長(zhǎng)波波輻射，構(gòu)構(gòu)成了路路面的再再輻射，使使路面放放出部分分熱量，大大氣和路路面之間間的溫度度差異，引

5、引起了對(duì)對(duì)流熱的的變換。風(fēng)的作作用加強(qiáng)強(qiáng)了對(duì)流流，使路路面喪失失了部分分熱量。降水和和隨后的的蒸發(fā)都都會(huì)顯著著地降低低由日照照所增加加的路面面溫度。內(nèi)部因素素則為路路面各結(jié)結(jié)構(gòu)層的的熱傳導(dǎo)導(dǎo)率、熱熱容量(比熱)和對(duì)輻輻射熱的的吸收能能力等，熱熱傳導(dǎo)率率是單位位溫度梯梯度條件件下在單單位時(shí)間間內(nèi)垂直直通過(guò)單單位面積積斷面的的熱量，其其值同材材料的結(jié)結(jié)構(gòu)、孔孔隙率和和濕度有有關(guān)。熱熱容量系系指使單單位質(zhì)量量的物質(zhì)質(zhì)產(chǎn)生單單位溫度度變化時(shí)時(shí)所需要要的熱量量。美國(guó)E.S.BBarbber把把影響路路面的溫溫度的兩兩項(xiàng)主要要?dú)庀笠蛞蛩貧鉁睾秃洼椛錈釤?，綜合合成一種種當(dāng)量的的有效溫溫度Te，假設(shè)設(shè)它隨時(shí)時(shí)

6、間呈正正弦周期期性變化化：（3-33）并且假設(shè)設(shè)路面結(jié)結(jié)構(gòu)為半半無(wú)限體體(Z時(shí)，T0)，根根據(jù)這些些條件解解出式(3-44)，得到到路面內(nèi)內(nèi)的溫度度場(chǎng)為：（3-44）估計(jì)長(zhǎng)波波再輻射射(有效輻輻射)的凈損損失平均均約為11/3，則則：（3-66）由式(33-4)，根據(jù)據(jù)氣象資資料(日輻射射熱、日日平均氣氣溫、日日溫差、平均風(fēng)風(fēng)速等)和路面面材料的的熱特性性參數(shù)(熱傳導(dǎo)導(dǎo)率、熱熱容量、輻射熱熱吸收能能力等)，就可可確定單單一路面面層內(nèi)的的溫度狀狀況。計(jì)算路面面的最高高溫度時(shí)時(shí)，以ZZ=0和和正弦函函數(shù)值為為1代入式式(3-4)，可得得簡(jiǎn)化式式為：（3-99）Barbber公公式主要要適用于于估算

7、路路面表面面的溫度度變化。但由于于面層下下各結(jié)構(gòu)構(gòu)層傳熱熱性能的的變化對(duì)對(duì)面層上上部的溫溫度狀況況影響很很小，此此公式也也可用于于估算面面層接近近表面深深度范圍圍內(nèi)的溫溫度狀況況。六計(jì)算算結(jié)果分分析圖3-55 4月溫溫度場(chǎng)實(shí)實(shí)測(cè)值與與計(jì)算值值的比較較圖3-66 10月月溫度場(chǎng)場(chǎng)實(shí)測(cè)值值與計(jì)算算值的比比較七路面面溫度場(chǎng)場(chǎng)隨各因因素變化化的規(guī)律律分析1、溫度度分布圖3-77和圖33-8所所示的66月份溫溫度分布布曲線，清清楚地表表明了瀝瀝青路面面表面溫溫度的日日波動(dòng)量量最大，約約為400，在5ccm深處處溫度的的日波動(dòng)動(dòng)量最大大約為220左右，而而瀝青面面層底部部溫度的的日波動(dòng)動(dòng)量約為為11左右，

8、在在30ccm深處處的水泥泥砂礫基基層中，溫溫度日波波動(dòng)量最最大約為為5左右，而而在400cm深深處的二二灰土下下基層中中，溫度度日波動(dòng)動(dòng)量只有有2左右。圖3-77 6月路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)各深度度的溫度度日變化化過(guò)程圖3-88 6月路路面面層層不同時(shí)時(shí)刻沿深深度分布布的溫度度曲線從圖3-9和圖圖3-110所示示的1月份溫溫度分布布曲線可可見(jiàn)，路面表表面溫度度的日波波動(dòng)量最最大約為為20，5cmm深處溫溫度的日日波動(dòng)量量最大約約為111，在瀝瀝青面層層底部溫溫度日波波動(dòng)量很很大約為為6，在上上基層中中部約為為3，而在在下基層層中，溫溫度日波波動(dòng)量不不 1.5。圖3-99 1月路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)各深度度的溫度

9、度日變化化過(guò)程圖3-110 11月路面面面層不不同時(shí)刻刻沿深度度分布的的溫度曲曲線不同深度度及不同同結(jié)構(gòu)層層之間的的溫度分分布曲線線存在相相位差，相相對(duì)于表表面而言言，5ccm深處處的溫度度分布曲曲線的相相位差約約為1小時(shí)，瀝瀝青面層層底部的的相位差差約為55小時(shí)，在在40ccm的底底基層中中，溫度度達(dá)到最最大值的的時(shí)間一一般在00點(diǎn)前后后，其相相位差約約為122小時(shí)。九瀝青青面層厚厚度對(duì)溫溫度的衰衰減作用用圖3-77和3-10表表明，雖雖然瀝青青面層表表面溫度度波幅分分別高達(dá)達(dá)約400和20，但在在瀝青面面層底部部和基層層頂面的的溫度波波幅卻分分別只有有11和6左右，這這說(shuō)明了了瀝青面面層具

10、有有較好的的溫度衰衰減作用用，面層層對(duì)溫度度的衰減減作用顯顯然與面面層的厚厚度有關(guān)關(guān)，圖33-111中，計(jì)計(jì)算了瀝瀝青面層層厚度與與基層頂頂面溫度度的關(guān)系系。圖3-111 瀝瀝青面層層厚度與與基層頂頂面溫度度波幅的的關(guān)系在瀝青路路面溫度度場(chǎng)分析析中，弄弄清面層層厚度與與基礎(chǔ)頂頂面溫度度波幅之之間的關(guān)關(guān)系，有有助于根根據(jù)基層層材料的的溫縮性性能狀況況來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)瀝青面面層厚度度，基層層溫縮性性小時(shí)，基基層頂面面允許的的不開(kāi)裂裂溫度波波幅可大大些，而而面層厚厚度亦可可小些，反反之，基基基層溫溫縮性較較大時(shí)，基基層頂面面允許的的不開(kāi)裂裂溫度波波幅則應(yīng)應(yīng)較小，從從而面層層厚度應(yīng)應(yīng)設(shè)計(jì)的的大些，具具體情況況

11、須根據(jù)據(jù)當(dāng)?shù)氐牡臍夂驐l條件、路路面材料料性能來(lái)來(lái)確定。十溫度度速率降溫是瀝瀝青路面面產(chǎn)生溫溫縮裂縫縫的最直直接起因因，降溫溫速率及及降溫持持續(xù)時(shí)間間都將明明顯影響響瀝青路路面的溫溫度裂縫縫。因此此，研究究在不利利溫度條條件下，瀝瀝青路面面的降溫溫速率及及其日過(guò)過(guò)程具有有重要意意義。路面結(jié)構(gòu)構(gòu)溫度場(chǎng)場(chǎng)前后不不同時(shí)刻刻的溫度度差直接接決定溫溫度應(yīng)力力的大小小，而表表征這一一時(shí)刻溫溫度變化化大小的的是路面面溫度變變化速率率(簡(jiǎn)稱溫溫度速率率)，溫度度速率大大，則這這一時(shí)刻刻前后溫溫度差大大，從而而在該時(shí)時(shí)刻產(chǎn)生生的溫度度應(yīng)力也也大，反反之亦然然。由于于在一天天內(nèi)，路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)要經(jīng)歷歷升溫和和降溫兩兩

12、個(gè)完全全相反的的溫度過(guò)過(guò)程，溫溫度速率率要經(jīng)歷歷由正變變負(fù)的過(guò)過(guò)程，路路面升溫溫時(shí)溫度度速率為為正，降降溫時(shí)為為負(fù)。因此，正正的溫度度速率使使路面產(chǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)應(yīng)力，負(fù)負(fù)的溫度度速率使使路面產(chǎn)產(chǎn)生拉應(yīng)應(yīng)力，而而溫度速速率為零零時(shí)，相相應(yīng)時(shí)刻刻路面產(chǎn)產(chǎn)生的溫溫度應(yīng)力力的也為為零。典典型路面面溫度場(chǎng)場(chǎng)不同時(shí)時(shí)刻和不不同深度度的溫度度速率的的基本規(guī)規(guī)律進(jìn)行行了計(jì)算算，結(jié)果果見(jiàn)圖33-177。圖3-116 6月不不同深度度溫度速速率的日日變化過(guò)過(guò)程曲線線圖3-117 6月瀝瀝青路面面不同深深度處溫溫度梯度度的日變變化過(guò)程程上面的計(jì)計(jì)算結(jié)果果表明：溫度速速率在路路表面達(dá)達(dá)到最大大值，晴晴天時(shí)一一般在上上午9

13、-10時(shí)時(shí)溫度上上升速度度最快，在在下午116-117時(shí)溫溫度下降降最快，隨隨著深度度增加，溫溫度速率率逐漸減減小，在在基層和和底基層層中部，溫溫度速率率已很小小，這一一情況也也從一個(gè)個(gè)側(cè)面說(shuō)說(shuō)明了導(dǎo)導(dǎo)致瀝青青路面開(kāi)開(kāi)裂的主主要原因因是瀝青青面層本本身的溫溫縮，此此外，路路面升溫溫速率明明顯大于于路面降降溫速率率。十一溫溫度梯度度由于同一一時(shí)刻不不同深處處路面溫溫度存在在溫度差差，因此此，瀝青青路面就就存在沿沿深度變變化的溫溫度梯度度，一般般當(dāng)上面面的溫度度大于下下面的溫溫度時(shí)，稱稱為正溫溫度梯度度，反之之稱為負(fù)負(fù)溫度梯梯度，由由于白天天路表最最高溫度度與其下下某一深深處的溫溫度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜夜

14、間路表表最低溫溫度與其其下同一一深處的的溫度差差，因此此，最大大正溫度度梯度一一般比最最大負(fù)溫溫度梯度度的絕對(duì)對(duì)值大，因因此，正正溫度梯梯度是剛剛性路面面設(shè)計(jì)的的主要溫溫度依據(jù)據(jù)。顯然，路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)的溫度度應(yīng)力不不僅與溫溫度速率率有關(guān)，還還與沿深深度變化化的溫度度梯度有有關(guān)，與與板塊結(jié)結(jié)構(gòu)的水水泥混凝凝土路面面不同，瀝瀝青路面面中所關(guān)關(guān)心的并并非是在在某溫度度梯度下下水泥混混凝土板板產(chǎn)生的的翹曲應(yīng)應(yīng)力，而而是由此此產(chǎn)生的的溫度拉拉應(yīng)力及及在此應(yīng)應(yīng)力下路路面是否否開(kāi)裂和和開(kāi)裂的的規(guī)律。計(jì)算表明明，路表表溫度梯梯度的波波幅最大大，最大大正溫度度梯度在在上午111點(diǎn)左左右達(dá)到到，最大大負(fù)溫度度梯度在

15、在下午55點(diǎn)左右右達(dá)到，隨隨著深度度增加，溫溫度梯度度的波幅幅越來(lái)越越小，在在瀝青面面層底部部溫度梯梯度的波波幅約為為1/cmm，基層層和底基基層中部部溫度梯梯度的波波幅不足足0.55。一日日中，白白天最大大正溫度度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比夜間間最大負(fù)負(fù)溫度梯梯度大，夏夏季最大大正溫度度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比冬季季最大正正溫度梯梯度大，冬冬季最大大負(fù)溫度度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比夏季季最大負(fù)負(fù)溫度梯梯度大。十二水水泥混凝凝土路面面溫度梯梯度值水泥混凝凝土路面面的溫度度狀況是是溫度應(yīng)應(yīng)力計(jì)算算的基礎(chǔ)礎(chǔ)，我國(guó)國(guó)原有的的水泥混混凝土路路面設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范，采采用威士士特卡德德理論計(jì)計(jì)算溫度度應(yīng)力，并并取設(shè)計(jì)計(jì)溫度梯梯度為00.677/cmm。此

16、值值是三十十年代在在美國(guó)阿阿林頓實(shí)實(shí)測(cè)的結(jié)結(jié)果，五五十年代代曾被蘇蘇聯(lián)引用用，后又又傳入我我國(guó)。六六十年代代，德國(guó)國(guó)J.艾森森曼、GG.惠耳耳教授實(shí)實(shí)驗(yàn)研究究了水泥泥混凝土土路面的的溫度狀狀況，提提出德國(guó)國(guó)設(shè)計(jì)溫溫度梯度度為0.9/cmm蘇聯(lián)戈戈雷茨基基研究了了蘇聯(lián)各各氣候區(qū)區(qū)的水泥泥混凝土土路面溫溫度狀況況，認(rèn)為為設(shè)計(jì)溫溫度梯度度應(yīng)按各各氣候區(qū)區(qū)取不同同值，蘇蘇聯(lián)各氣氣候區(qū)實(shí)實(shí)測(cè)最大大溫度梯梯度在00.244-0.72/cmm之間。我國(guó)各各地區(qū)氣氣候情況況有顯著著差別，全全國(guó)一律律取用設(shè)設(shè)計(jì)溫度度梯度為為0.667/cmm，顯然然是不合合理的。美國(guó)和德德國(guó)的設(shè)設(shè)計(jì)溫度度梯度是是根據(jù)個(gè)個(gè)別地區(qū)

17、區(qū)、個(gè)別別年份的的實(shí)測(cè)最最大溫度度梯度值值適當(dāng)提提高或降降低而定定出的。這種做做法帶有有一定的的偶然性性。戈雷雷茨基對(duì)對(duì)蘇聯(lián)的的各氣候候區(qū)進(jìn)行行了多年年的混凝凝土路面面溫度狀狀況實(shí)測(cè)測(cè)工作，比比較全面面地總結(jié)結(jié)出了水水泥混凝凝土路面面溫度狀狀況變化化的一般般規(guī)律，他他提出了了水泥混混凝土路路面狀況況的理論論公式主主要是針針對(duì)蘇聯(lián)聯(lián)地理?xiàng)l條件的。他曾提提出應(yīng)按按地基、基層和和混凝土土面材料料的不同同熱性能能建立層層狀熱傳傳導(dǎo)模型型，但在在理論上上未對(duì)此此作進(jìn)一一步研究究。采用理論論方法分分析路面面溫度狀狀況的還還有巴伯伯(F.S.BBarbber)、佩托托里葉斯斯(P.C.PPrettoriiu

18、m)和克里里斯蒂森森(J.T.CChriistiisonn)等，其其中佩托托里葉斯斯和克里里斯蒂森森，分別別采用有有限元法法和有限限差分方方法分析析了由不不同熱性性能材料料組成的的層狀路路面的溫溫度狀況況，但他他們的分分析對(duì)象象僅限于于黑色路路面的最最高溫度度和最低低溫度。有關(guān)成成果無(wú)法法用于進(jìn)進(jìn)行水泥泥混凝土土路面的的溫度梯梯度等分分析。疲勞溫度度梯度國(guó)內(nèi)現(xiàn)有有的混凝凝土路面面結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)方法法僅計(jì)荷荷載應(yīng)力力一項(xiàng)而而未考慮慮溫度應(yīng)應(yīng)力對(duì)路路面疲勞勞損壞的的影響，這這顯然不不夠合理理。而要要考慮這這兩項(xiàng)應(yīng)應(yīng)力的綜綜合疲勞勞影響，關(guān)關(guān)鍵是要要提供一一種簡(jiǎn)便便、合理理的疲勞勞設(shè)計(jì)方方法。在在各種路路面結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)方方法中，常常常采用用標(biāo)準(zhǔn)軸軸載和軸軸載換算算系數(shù)來(lái)來(lái)考慮各各級(jí)軸載載的疲勞勞損壞作作用。而而軸載換換算系數(shù)數(shù)可依據(jù)據(jù)所采用用的疲勞勞方程等等效疲勞勞損壞原原則推算算得到。可以設(shè)設(shè)想，路路面實(shí)際際發(fā)生的的各級(jí)溫溫度梯度度的疲勞勞損壞影影響，也也可按類類似的方方法考慮慮，也即即，需要要求一個(gè)個(gè)等效的的溫度梯梯度，當(dāng)當(dāng)路面處處于該溫溫度梯度度狀態(tài)時(shí)時(shí)，其疲疲勞損壞壞程度達(dá)達(dá)到在相相同的交交通量和和軸載譜譜作用下下，同一一種路面面結(jié)